BÖLÜM-3 BUHARLAŞMA (EVAPORATION)
3.1 BUHARLAŞMANIN MEKANİZMASI
Suyun sıvı halden gaz haline geçmesine buharlaşma denir. Yağışın % 90’ı
buharlaşma ile atmosfere geri döner. Hava ile su arasındaki moleküller yeterli
kinetik enerji kazandıkları zaman herekete başlarlar. Su yüzeyi yakınlarında
sürekli olarak sudan havaya, havadan suya geçen moleküllere rastlanır.
Sudan havaya geçen moleküllerin sayısı daha fazla ise buharlaşma olduğu
kabul edilir. Buharlaşmanın mekanizması aşağıdaki şekilde görülmektedir.
ew: Su yüzeyindeki buhar basıncı (su yüzeyinin
Hava
ea
Doymuş tabaka
ew
sıcaklığındaki havanın doymuş buhar basıncı)
ea: Suyun üstündeki havanın buhar basıncı
Su
Buharlaşmanın
inşaat
mühendisliği
açısından
önemi
baraj
hazne
kapasitesinin belirlenmesinde ve baraj haznesinin işletme çalışmalarında
ortaya çıkmaktadır.
Buharlaşmayı Etkileyen Faktörler:
1. Buharlaşma miktarı ew ile ea arasındaki farkla doğru orantılıdır (Dalton
kanunu) E = c (ew-ea).
Suyun sıcaklığı arttıkça moleküllerin hızları artar, yüzeysel gerilme azalır ve doymuş
havadaki nem miktarı (su yüzeyindeki buhar basıncı) da artacağından buharlaşma
kolaylaşır.
2. Havanın hareketi (rüzgâr) buharlaşmayı artırır. Hava durgunsa zaman
ilerledikçe ea artarak ew’ye eşitlenir ve bu durumda buharlaşma durur.
1
3. Isı enerjisi buharlaşmayı artırır. Güneşten doğrudan doğruya gelen enerji
yanında karalarda ve sularda depolanmış olan rüzgârlarla çevreden taşınan
ısı enerjisi de buharlaşmada rol oynar. %10 ısı artışı buharlaşmayı % 1-3
oranında artırır.
4. Suda erimiş bulunan tuzlar buharlaşmayı azaltır. Denizlerde buharlaşma
tatlı sulara göre %2-3 oranında daha azdır.
5. Su derinliğinin de mevsimlik buharlaşma miktarı üzerine etkisi olmaktadır.
Derin su kütleleri hava sıcaklığındaki değişmelere daha geç uyar. Bu nedenle
derin sularda buharlaşma sığ sulara göre yazın daha az kışın daha çok
olmaktadır.
6. Havanın basıncı azaldıkça buharlaşma artar.
7. Su yüzeyinde ince bir kimyasal film tabakası oluşturarak buharlaşma
azaltılabilir.
3.2 SU YÜZEYİNDEN BUHARLAŞMA
Yeryüzündeki su yüzeylerinden günlük buharlaşma miktarı 1-10 mm
arasında değişir. Bu miktarın belirlenmesi özellikle baraj haznelerinde önem
taşır. Örneğin hazne hacim kapasitesi 30600 milyon m 3 olan Keban Barajı
haznesinden her yıl 800 milyon m3 suyun buharlaştığı tahmin edilmektedir. Bu
oran
1/38
olmaktadır.
Baraj
haznelerinden
buharlaşma
miktarının
belirlenmesinde hidrolojinin iki temel denklemlerini oluşturan su dengesi ve
enerji dengesi yöntemleri kullanılmaktadır.
1- Su Dengesi Yöntemi:
Bir su kütlesine (göl, baraj rezervuarı gibi) su dengesi (süreklilik) denklemi uygulanır:
∆S = P + Qg – Qç ± Qy – E
P
: Yağış
Qg
: Rezervuara giren yüzeysel akış (Akarsularla taşınan)
2
Qç
: Rezervuardan çıkan yüzeysel akış (içme suyu, sulama suyu, HES vb)
Qy
: Rezervuara giren veya çıkan yeraltı suyu akımı (sızma)
E
: Buharlaşma
∆S
: Depolanan su hacmindeki değişim
Su dengesi denklemi birden fazla bilinmeyen içermektedir. Bu nedenle
denklemi hidrolojik yılın başında ve sonunda yazmak sağlıklı sonuç verir çünkü
zemin nemi aynı olacağından Qy ihmal edilir aynı zamanda ∆S’de sıfır
olacağından denklem kolayca çözülür.
Zemin
nemi
1 Ekim
1 Ekim
Hidrolojik yıl
Uzun süreli (aylık, yıllık) buharlaşma miktarlarının hesabında su dengesi
yöntemi kullanılabilir. Kısa süreli (günlük, haftalık) olursa doğru sonuç
vermeyebilir.
2- Enerji Dengesi Yöntemi:
Bu yöntemde bir su kütlesine enerjinin korunumu prensibi uygulanır:
He = HG - HÇ - HC - ∆H
(1)
He
: Buharlaşmada kullanılan ısı
HG
: Kütleye giren ısı (güneş ısısı + giren akımların getirdiği ısı)
HÇ
: Kütleden çıkan ısı (yansıyan ısı + çıkan akımların götürdüğü ısı)
HC
: Su yüzeyinden atmosfere kondüksiyonla kaybolan ısı
∆H
: Su kütlesindeki sıcaklığın değişmesi için kullanılan ısı
HG ve HÇ değerleri radyometrelerle ölçülebilir. Bu ifadelerde yer alan giren
akımların getirdiği ve çıkan akımların götürdüğü ısı genellikle ihmal
3
edilmektedir. HC’nin ölçülmesi mümkün olmayıp HC ile He arasında aşağıdaki
bağıntı mevcuttur.
HC = R x He
(2)
R (0C) : Bowen oranı
(0.2 < R < 0.3)
R  6x104 P0
(Tw  Ta )
(ew  ea )
R’nin ifadesinde yer alan P0 kg/cm2 cinsinden atmosfer basıncını, Tw ve Ta
sırasıyla 0C cinsinden suyun ve havanın sıcaklığını, ew ve ea ise sırasıyla kg/cm2
cinsinden su yüzeyinin ve havanın buhar basıncını göstermektedir.
He = L x E
E
buharlaşan
(3)
suyun
hacmini
L
buharlaşma
ısısını
(=590
kal/cm 3)
göstermektedir. (2) ve (3) bağıntıları (1)’de yerine konulursa (4) eşitliği elde
edilir. Bu eşitlikte E cm cinsinden buharlaşma yüksekliğini göstermektedir.
E
HG  HÇ  H
(4)
L(1 R)
Enerji dengesi yöntemi kısa süreli (günlük, haftalık) buharlaşma miktarlarının
hesabında su dengesi yöntemine göre daha doğru sonuç vermektedir.
3.3 BUHARLAŞMANIN ÖLÇÜLMESİ
Göl veya baraj rezervuarı yüzeyinden buharlaşmayı ölçmek için gölün
yakınına konulan buharlaşma tavası, leğeni ya da evaporimetre denilen
metal kaplar kullanılmaktadır. Bunların çeşitli tipleri vardır. Türkiye’de ve
birçok ülkede en çok kullanılan tip olan A sınıfı tavanın alanı 1 m 2 derinliği 25
cm’dir. Aşağıda şekli görülen tava 20 cm derinlikte su ile doldurulup su
yüzeyindeki alçalma bir limnimetre ile ölçülerek buharlaşma yüksekliği
belirlenmektedir. Tava yerden 15 cm yüksekliğe yerleştirilmelidir.
Ölçümler günlük alındığı için her gün eksilen su miktarı tavaya ilave
edilmelidir. Ancak tavadan buharlaşma miktarı geniş bir su kütlesinden
(hazneden, gölden) buharlaşma miktarıyla aynı olmaz. Bunun başlıca nedeni
4
tavadaki suyun kütlesi az olduğu için hava sıcaklığındaki değişmelerden
daha çabuk etkilenmesidir. Ayrıca metal olan tavadan ısı yansıması, tava
cidarından ısı alışverişi ve çevrenin az nemli oluşu da buharlaşmayı etkiler.
Göldeki gerçek buharlaşma miktarını belirleyebilmek için tavadaki okumanın
tava katsayısı ile çarpılması gerekmektedir. A sınıfı tavanın buharlaşma
katsayısı 0.6 - 0.8 arasında değişmekte genellikle ortalaması olan 0.7 kabul
edilmektedir. Bu katsayı mevsimlere göre değişiklik göstermektedir.
limnimetre
5 cm
122 cm
15 cm
25 cm
A sınıfı buharlaşma tavası
Türkiye’de buharlaşma ölçümleri D.M.İ. ve D.S.İ. tarafından yapılmaktadır. En
az 5000 km2’ye bir tava yerleştirilmesi tavsiye edilmektedir. Ölçümlerde ıslak
filtre kâğıdından buharlaşmayı dönen şerit üzerine kaydeden ve standart
tavalara
benzer
sonuçlar
veren
yazıcı
ölçekler
(evapograf)
de
kullanılmaktadır.
3.4 EVAPOTRANSPİRASYON KAYIPLARI
Evapotranspirasyon bir bölgede terleme ile zeminden ve su yüzeylerinden
buharlaşma
ile
meydana
gelen
toplam
su
kayıplarına
denir.
Evapotranspirasyon hesabı bitkilerin su ihtiyacının belirlenmesi için gereklidir.
İnşaat mühendisliği açısından önemi sulama kanallarının projelendirilmesinde
ve işletilmesinde ortaya çıkar.
5
Evapotranspirasyon = Terleme (Transpiration) + Buharlaşma (Evaporation)
Terleme (Transpiration): Bitkilerin suyu kökleriyle çekip yaşamaları için
faydalandıktan sonra yapraklarından buhar halinde havaya vermelerine
denir.
Terlemenin bağlı olduğu fiziksel faktörler şunlardır:
i.
Yeraltı su yüzeyi: Kurak mevsimlerde kökü YSY’ ye ulaşmayan bitkiler
terlemez.
ii.
Zeminin nem oranı: Gerçek terleme miktarı zeminde mevcut su
miktarıyla sınırlıdır.
iii.
Yaprak miktarı ve cinsi: Günlük 0.1 mm-7 mm arasında değişir.
iv.
Buharlaşmanın bağlı olduğu diğer etkenler
Terleme bitkilerin büyümesiyle ilgili olduğundan sadece büyüme mevsiminde
gündüz saatlerinde görülür. Hidrolojide sadece terleme hesabı yapılamadığı
için evapotranspirasyon hesabı içerisinde yapılmaktadır. Türkiye’de yıllık
ortalama yağış yüksekliği 67 cm olup bunun % 32’si olan 21 cm’lik kısmı akış
haline geçmekte geriye kalan % 68’lik kısım olan 46 cm evapotranspirasyon
miktarı olmaktadır.
3.5 EVAPOTRANSPİRASYON KAYIP FORMÜLLERİ
Bir havzanın evapotranspirasyon miktarı yıllık ortalama sıcaklık, yıllık ortalama
yağış yüksekliği, bitki örtüsü cinsi gibi parametrelere bağlı olarak geliştirilen
formüllerle yıllık, aylık, günlük olarak hesaplanır.
1. Coutagne formülü:
U = P- λ P2

0.0001
,
0.8  0.14T
U = Yıllık evapotranspirasyon yüksekliği (mm)
P = Yıllık yağış yüksekliği, T = Yıllık ortalama sıcaklık
derecesi (0C)
6
2. Turc formülü:
U
P
0.9 
2
P
L2
,
L = 300 + 25T + 0.05 T3
Coutagne ve Turc formülleri evapotranspirasyon yüksekliğini (mm) yıllık
olarak hesaplamaktadır.
3. Lowry Johnson formülü:
U = 0.085 H + 243,
H= Bitkilerin büyüme mevsiminde sıcaklığı 0 0C’nin
üstünde olan günlerin derece-gün toplamı
4. Hargreaves formülü:
U = 17 k d (1-h) t
h: Öğle saatinde ölçülen aylık ortalama relatif nem
d: Aylık günışığı katsayısı
k: Bitki cinsine ve bitkinin yetişme süresine bağlı katsayı
t: Aylık ortalama sıcaklık (0C)
5. Blaney Criddle formülü:
U = 45 k p (t+18)
U = Aylık evapotranspirasyon yüksekliği (mm)
k: Bitki cinsine ve bitkinin yetişme süresine bağlı katsayı
p: Gözönüne alınan aydaki gündüz saatlerinin bütün yıldaki gündüz
saatlerine oranı
t: Aylık ortalama sıcaklık (0C)
Enleme ve aylara göre değişen p değerleri Tablo 3.1’de sunulmaktadır.
Lowry Johnson, Hargreaves ve Blaney Criddle formülleri evapotranspirasyon
yüksekliğini aylık olarak vermektedir. Türkiye’de en çok Blaney Criddle
7
formülü kullanılmaktadır. Yukardaki formüllerle hesaplanan U değerleri o süre
içerisinde eğer yağış yoksa doğrudan bitkilerin su ihtiyacını belirlemektedir.
Yağış varsa bitkilerin su ihtiyacını belirlemek için yağış yüksekliğinin (P), U
değerinden çıkarılması gerekmektedir.
Tablo 3.1 Blaney-Criddle formülünde kullanılan p değerleri
Aylar
Ocak
Şubat
Mart
Nisan
Mayıs
Haziran
Temmuz
Ağustos
Eylül
Ekim
Kasım
Aralık
240
260
280
0.0758
0.0717
0.0840
0.0860
0.0930
0.0920
0.0941
0.0905
0.0831
0.0809
0.0743
0.0746
0.0749
0.0712
0.0840
0.0864
0.0938
0.0930
0.0949
0.0910
0.0831
0.0806
0.0736
0.0735
0.0740
0.0707
0.0839
0.0968
0.0946
0.0938
0.0958
0.0916
0.0832
0.0802
0.0727
0.0727
Kuzey yarıküredeki enlemler
300
320
340
360
380
0.0730
0.0703
0.0838
0.0872
0.0953
0.0949
0.0967
0.0922
0.0834
0.0799
0.0719
0.0714
0.0720
0.0607
0.0837
0.0875
0.0963
0.0960
0.0977
0.0928
0.0834
0.0793
0.0711
0.0705
0.0710
0.0691
0.0836
0.0880
0.0972
0.0970
0.0988
0.0933
0.0836
0.0790
0.0702
0.0692
0.0699
0.0686
0.0835
0.0885
0.0981
0.0983
0.0999
0.0940
0.0836
0.0785
0.0692
0.0679
0.0687
0.0676
0.0834
0.0890
0.0992
0.0995
0.1010
0.0947
0.0838
0.0780
0.0682
0.0666
400
420
440
0.0676
0.0673
0.0833
0.0895
0.1002
0.1008
0.1022
0.0954
0.0838
0.0775
0.0672
0.0652
0.0662
0.0665
0.0831
0.0900
0.1014
0.1021
0.1035
0.0962
0.0840
0.0770
0.0662
0.0638
0.0649
0.0658
0.0830
0.0905
0.1026
0.1038
0.1049
0.0990
0.0841
0.0763
0.0649
0.0622
6. Penman Formülü:
Bu
yöntemde
evapotranspirasyon
yüksekliği
günlük
olarak
hesaplanmaktadır. Penman formülü enerji dengesi ve kütle transferi esasına
dayanmaktadır.
U
 AxH  0.27 E 
 A  0.27 
U= Günlük evapotranspirasyon yüksekliği (mm)
Kütle transferinin etkisi: E = 0.35 (ew - ea) (1 + 0.55 w2)
Net radyasyon (kal/cm2-gün): H = R (1-r) (0.18+0.55 s) - B (0.56 - 0.092 ea0.5) (0.1 + 0.9 s)
Yansıma kayıpları çıktıktan sonra
yeryüzüne erişen kısa dalga boylu
ışınların enerjisi
A, B = Günlük ortalama sıcaklığın birer fonksiyonu
8
Yeryüzünden gönderilen
uzun dalga boylu ışınların
enerjisi
ew: Doymuş buhar basıncı (mm Hg)
ea: Havanın buhar basıncı (rölatif nem x ew)
w2: Yerden 2 m yükseklikte ölçülen rüzgâr hızı (m/s)
R: Aylık ortalama radyasyon
r: Yüzeyin radyasyonu yansıtma yüzdesi (albedo)
s: Parlak güneş ışığının görünme süresinin yüzdesi (parlak güneşli sürenin, gün
batımı eksi gün doğumuna oranı)
A, B ve ew değerleri günlük ortalama sıcaklığa bağlı olarak Tablo 3.2’de
verilmektedir. Formülde yer alan R değerleri de aylara bağlı olarak Tablo
3.3’de görülmektedir.
Tablo 3.2 A, B ve ew’nin sıcaklık ile değişimi
t (0C)
A
B
ew(mm Hg)
10
0.35
12.95
9.2
15
0.48
13.85
12.8
20
0.60
14.85
17.5
25
0.89
15.9
23.8
30
1.05
17.0
31.8
35
1.38
18.1
42.2
40
1.64
19.3
55.3
Tablo 3.3 R radyasyonunun değerleri
Ay
R
O
6.0
Ş
8.3
M
11.0
N
13.9
M
15.9
H
16.7
T
16.3
A
14.8
E
12.2
E
9.3
K
6.7
A
5.5
Türkiye’de günlük evapotranspirasyon yüksekliği hesabı için Penman formülü
kullanılmaktadır.
9
Download

BÖLÜM-3 BUHARLAŞMA (EVAPORATION) 3.1 BUHARLAŞMANIN